作為高速數(shù)據(jù)傳輸與光電信號處理的核心器件，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在高速光通信、激光雷達等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其動態(tài)特性直接關(guān)聯(lián)器件調(diào)制速率及穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。近期，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊開發(fā)了GaN基VCSEL的動態(tài)物理模型，揭示了器件內(nèi)部載流子輸運行為對激光器動態(tài)特性的影響規(guī)律。

GaN材料固有的極化特性導(dǎo)致GaN基VCSEL有源區(qū)中產(chǎn)生了量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE），這一效應(yīng)不僅會降低器件的受激復(fù)合效率，還會引發(fā)嚴重的電子泄漏等問題。為此，技術(shù)團隊探索了電子注入效率對-3 dB帶寬的影響，并提出了解決方案[1]。圖1表明，相比于傳統(tǒng)的VCSEL器件（Device R），隨著引入組分漸變式量子壘（Device A）結(jié)構(gòu)和組分漸變式量子壘/p型電子阻擋層結(jié)構(gòu)（Device E），有源區(qū)內(nèi)部受激復(fù)合時間（τsti）逐漸減小，電子逃逸時間（τesc）逐漸增加，器件的-3dB帶寬逐漸提高。

圖1 (a)器件內(nèi)部τsti，τaug，τesc；(b)小信號調(diào)制響應(yīng)對比圖[1]

此外，技術(shù)團隊還提出了改善GaN基VCSEL動態(tài)特性的技術(shù)方案，探索了脈沖模式下VCSEL表面缺陷及載流子注入效率對啁啾效應(yīng)的影響[2]。圖2展示了傳統(tǒng)器件（VCSEL A）和對比器件（VCSEL B）的輸出功率、空穴濃度分別與驅(qū)動時間的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明，VCSEL B擁有更高的空穴注入效率，因此其功率可以在更短的時間內(nèi)達到功率峰值和穩(wěn)定輸出。

圖2VCSEL A和 VCSEL B的功率和空穴濃度隨脈沖信號的變化關(guān)系；T1表示激光功率峰值出現(xiàn)的時刻，T2表示激光脈沖首個峰值與穩(wěn)態(tài)之間的時間間隔[2]

研究成果[1]已被物理-光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Optics Letters收錄，DOI: 10.1364/OL.562956。

研究成果[2]已被物理-光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊IEEE Journal of Quantum Electronics收錄，DOI: 10.1109/JQE.2025.3574120。

審核編輯 黃宇